Application of chemical mechanical polishing process on titanium based medical implants

Biyomalzemeler vücutta implant malzemesi olarak diş protezlerinde, ortopedik uygulamalarda, kalp kapakçığı ve kataterlerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Günümüze kadar yapılan araştırmalar sonucunda titanyum ve alaşımları sahip oldukları yüzey özelliklerinin yanı sıra olağanüstü mekanik özellikleri ile de en biyouyumlu malzemeler arasında yer almaktadırlar. İmplant malzemesinin işlenme prosesi de yüzey özelliklerini etkilemekte ve kontaminasyona neden olabilmektedir bu da biyouyumluluğu azaltmakta ve hastalarda implante edildikten sonraki süreçte bulgulanan ve %4 oranlarına ulaşabilen enfeksiyonlara neden olmaktadır. İmplant malzemelerin biyouyumluluğu ve biyoinertliğini arttırmaya yönelik malzemenin yüzey pürüzlülüğünün değiştirilmesi ve yüzeyde oksit film oluşturulması çeşitli yöntemler ile literatüre kazandırılmıştır. Yüzey pürüzlülüğünü değiştirmek amaçlı desenlemede genellikle kullanılan kumlama ve kimyasal aşındırma yöntemleri implant malzemesi yüzeyinde kontaminasyona neden olmaktadır. Ayrıca kullanılan diğer alternatif yöntemler olan yüksek sıcaklıkta plasma kaplama ve lazer ile desenlendirme yöntemleri ise yüksek maliyetlere neden olmaktadırlar. Bu proje kapsamında implant malzeme yüzeylerinin işlenmesi için literatürde var olan yöntemlere alternatif olarak Kimyasal Mekanik Cilalama/Düzlemleme (CMP) prosesi getirilmiştir. CMP prosesi yarıiletkenler endüstrisinde kullanılan yöntemlerden biri olup aynı anda yüzeyi hem mekanik hem de kimyasal olarak düzlemleyebilmektedir. Proses sırasında kullanılan slurry içerisindeki aşındırıcı kimyasallar mekanik etki sağlayarak yüzeyde nanometre seviyelerinde aşınım sağlanarak üretim sırasında oluşan potansiyel kontaminasyondan arındırılmış yüzeyler oluşturulmaktadır. Diğer taraftan slurrynin kimyasal bileşenlerini oluşturan stabilizatörler, pH ayarlayıcı ajanlar ve oksitleyiciler yüzeyde pasif oksit film kaplaması oluşturmaktadırlar. CMP genel olarak pürüzsüz yüzeyler oluşturmak amaçlı kullanılsa da cilalanan yüzeylerde kullanılan süspansiyonların tane boyutu ve cilalama pedinin dokusu değiştirilerek kotrollü bir pürüzlülük oluşturmak amaçlı kullanılabileceği de daha önceki çalışmalarda gösterilmiştir. Kimyasal olarak değiştirilmiş bu filmin reaksiyonu durduran koruyucu bir oksit tabakası olması yarıiletken uygulamalarında düzlemlemeyi sağlamaktadır. CMP'nin implantlara uygulanması sonucunda ise kimyasal reaksiyonları durdurarak yüzeyde oluşabilecek kontaminasyon ve enfeksiyon riskini azaltacağı düşünülmektedir. Literatürdeki sınırlı çalışmada implant malzemesi olarak kullanılan Ti filmler üzerindeki CMP uygulamalarının pürüzsüz bir yüzey ve TiO2 oksit filmleri oluşturduğu belirtilmiştir. Ancak CMP prosesi sonucu biyoimplantlar üzerinde oluşan titanyum oksit filmin koruyucu özellikleri karakterize edilmemiş olmakla beraber, yarıiletkenler teknolojisinde kullanılan Ti/TiN filmlerin CMP sırasında pasif edici özellikleri bilinmektedir. Oluşturulan titanyum oksit filmlerin hücre tutunmasını, biyouyumluluğu ve hidroksiapatit tutunmasını arttırdığı bilinmektedir fakat oluşturulan oksit filmlerin çoğu yapay oksidasyon yöntemleri ile elde edildiklerinden kalın ve gözenekli bir yapıya sahiptirler. Bu filmler gözenekli yapıları nedeniyle alt katmanda bulunan ana metal malzemenin inertliğini sağlayamamakta ve kontaminasyonu engelleyememektedir Bu nedenle bu çalışmada, CMP prosesi uygulanarak implant malzemesi olarak kullanılan Ti plakalar üzerinde kontaminasyona maruz kalmış olabilecek üst tabakanın aşınımını ve aynı zamanda yüzeyde kontrollü nano/mikro boyutta pürüzlülük oluşumu sağlanmıştır. Ayrıca CMP ile metal yüzeylerde oluşan korunumlu metal oksit tabakaların yapısı yüzeydeki kimyasal reaksiyonu sınırlamak açısından karakterize edilmiştir. CMP ile işlenen yüzeyleri biyouyumluluk ve biyofilm oluşumuna direnç açısından da karakterize edilmiş ve hücrelerin uyumluluklarına bağlı olarak hücre tutunmasını artmaya yönelik optimal yüzey özellikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Tez çalışmasının sonuçlarını ileriki aşaması düşünüldüğünde, implant malzemelerin üç boyutlu yapısı gözönüne alınarak 3-D çalışabilecek bir CMP prosesi geliştirmektir en önemli gereksinimdir. CMP tekniğinin titaniyum bazlı biyo-implantlar üzerinde üç boyutlu uygulamalarının diğer alternatiflere göre hem çok daha ekonomik hem de çok daha etkili bir yöntem olacağı düşünülmektedir. Titanyum ve titanyum alaşımlı biyolojik implantlar üzerinde CMP ile oluşturulacak nano-desenli yüzeylerin kendinden korunumlu oksit tabaka ile kimyasal ve bakteriyel reaksiyonları önlemesi ve aynı zamanda yüzey desenlemesi ile de biyouyumluluğu arttırması amaçlanmaktadır.